Cette thèse considère la solution numérique d'un problème aux valeurs propres de grandes dimensions, dans lequel l'opérateur est dérivé d'un problème de transfert radiatif. Ainsi, cette thèse étudie l'utilisation de matrices hiérarchiques, une représentation efficace de tableaux, très intéressante pour une utilisation avec des problèmes de grandes dimensions. Les matrices sont des représentations hiérarchiques de structures de données efficaces pour les matrices denses, l'idée de base étant la division d'une matrice en une hiérarchie de blocs et l´approximation de certains blocs par une matrice de petite caractéristique. Son utilisation permet de diminuer la mémoire nécessaire tout en réduisant les coûts informatiques. L'application de l'utilisation de matrices hiérarchique est analysée dans le contexte de la solution numérique d'un problème aux valeurs propres de grandes dimensions résultant de la discrétisation d'un opérateur intégral. L'opérateur est de convolution et est défini par la première fonction exponentielle intégrale, donc faiblement singulière. Pour le calcul informatique, nous avons accès à HLIB (Hierarchical matrices LIBrary) qui fournit des routines pour la construction de la structure hiérarchique des matrices et des algorithmes pour les opérations approximative avec ces matrices. Nous incorporons certaines routines comme la multiplication matrice-vecteur ou la decomposition LU, en SLEPc (Hierarchical matrices LIBrary) pour explorer les algorithmes existants afin de résoudre les problèmes de valeur propre. Nous développons aussi des expressions analytiques pour l'approximation des noyaux dégénérés utilisés dans la thèse et déduire ainsi les limites supérieures d'erreur pour ces approximations. Les résultats numériques obtenus avec d'autres techniques pour résoudre le problème en question sont utilisés pour la comparaison avec ceux obtenus avec la nouvelle technique, illustrant l'efficacité de ce dernier / In this thesis, we consider the numerical solution of a large eigenvalue problem in which the integral operator comes from a radiative transfer problem. It is considered the use of hierarchical matrices, an efficient data-sparse representation of matrices, especially useful for large dimensional problems. It consists on low-rank subblocks leading to low memory requirements as well as cheap computational costs. We discuss the use of the hierarchical matrix technique in the numerical solution of a large scale eigenvalue problem arising from a finite rank discretization of an integral operator. The operator is of convolution type, it is defined through the first exponential-integral function and hence it is weakly singular. We access HLIB (Hierarchical matrices LIBrary) that provides, among others, routines for the construction of hierarchical matrix structures and arithmetic algorithms to perform approximative matrix operations. Moreover, it is incorporated the matrix-vector multiply routines from HLIB, as well as LU factorization for preconditioning, into SLEPc (Scalable Library for Eigenvalue Problem Computations) in order to exploit the available algorithms to solve eigenvalue problems. It is also developed analytical expressions for the approximate degenerate kernels and deducted error upper bounds for these approximations. The numerical results obtained with other approaches to solve the problem are used to compare with the ones obtained with this technique, illustrating the efficiency of the techniques developed and implemented in this work

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Berechnung, aus ersten Prinzipien, von Niedrigenenergiekonstanten (NEK), welche die chirale Störungsheorie (ChST) parametrisieren, durch Simulationen auf dem Gitter. Diese Arbeit ist eine Pilotstudie und will deshalb nicht zu definitiven und präzisen quantitativen Vorhersagen führen, sondern wir möchten qualitative Leitlinien für zukünftige genauere Erforschungen der epsilon-Entwicklung der ChST geben. Letztere ist ein Gebiet in dem die chirale Symmetrie wiederhergestellt ist und wo die Compton-Wellenlänge der leichtesten Mesonen grösser als die lineare Dimension des endlichen Volumens ist. Die epsilon-Region ist weiterhin durch die wichtige Rolle der topologischen Ladung, nu, charakterisiert, so dass die Untersuchung der mesonischen Zweipunkt-Korrelationsfunktionen in definierten topologischen Sektoren vorzunehmen ist. Aus diesem Grunde haben wir chirale Fermionen auf dem Gitter simuliert, wobei der overlap Formalismus für den Dirac Operator, mit dem gewöhnliches Wilson Dirac Operator als Kern, in der quenched Approximation genommen wurde. Wir demonstrieren dass der Sektor mit neutraler topologischer Ladung, nu = 0, numerisch sehr schwierig zu untersuchen ist, weil die Daten von erheblichen Spitzen beeinflusst werden, die aufgrund sehr kleiner, nicht verschwindender Eigenwerte herrühren. Diese Beobachtung findet eine Übereinstimmung in einer Studie der Random Matrix Theory (RMT), die besagt, dass man eine Statistik von mehr als 10000 Konfigurationen benötigt, falls man auf kleine Eigenwerte empfindlich reagierende physikalische Grössen, im triviale topologische Sektoren simulieren möchte. Weniger Probleme ergeben sich in dem nicht-trivialen Sektoren |nu| > 0: wir präsentieren deshalb unsere Ergebnisse aus dem topologisches Sektor nu = 1 und den Daten aus das Sektor mit nu = 2 nur als Gegenprobe. Wir zeigen die Existenz einer unteren Schranke für das physikalisches Volumen bei V > 1 fm zur vierten Potenz für die Gültigkeit der ChST, übereinstimmend mit einer vorherigen Beobachtung aus der RMT. Wir beschränken deshalb unsere Untersuchung auf ein grösseres Gitter, wo wir die Daten des axialen Korrelators mit den Vorhersagen der ChST in der Valenzquark-Approximation fitten und eine stabile Bestimmung der gequenchten Pionen-Zerfallskonstante, F, erhalten. Die skalaren und pseudoskalaren Korrelationsfunktionen sind durch mehrere NEK parametrisiert. Dadurch ist der Vergleich mit den Vorhersagen der ChST schwieriger, und deshalb präsentieren wir nur einige Abschätzungen, die mit der entsprechenden Literatur verglichen werden. Zum Schluss präsentieren wir mögliche Implementierungen von verbesserten Algorithmen für die Inversion des overlap Operators, die die Simulationkosten reduzieren. / The aim of this thesis is the computation of Low Energy Constants (LEC) which parameterise Chiral Perturbation Theory (ChPT) from a first principles analysis via lattice simulations. The thesis provides a pilot study and will not give definitive and precise quantitative predictions, but rather our aim is to provide qualitative hints for future accurate investigations of the epsilon-expansion of ChPT, where chiral symmetry is restored and the Compton wavelength of the lightest meson is larger than the linear size of the finite volume. One of the property characterising the epsilon-regime is the important role played by the topological charge, nu, leading to the investigation of the two-point meson correlation functions in distinct topological sectors. To this end, we simulate chiral fermions on the lattice adopting the overlap formalism for the Dirac operator in the quenched approximation, with the kernel provided by the usual Wilson Dirac operator. We demonstrate that the neutral topological sector, nu = 0, is very difficult to explore numerically, as the data are affected by large spikes due to the presence of very small, non-zero eigenvalues. This observation is in agreement with a study of Random Matrix Theory (RMT), which indicates that a statistic of more than 10000 configurations is required when physical quantities sensitive to small eigenvalues are investigated in the neutral topological sector. Therefore, we present our results corresponding to the topological sector nu = 1. Due to the modest statistic, we only use the nu = 2 data as a crosscheck. We find a lower bound on the physical volume V > 1 fm to the four for ChPT to be used, in agreement with a previous observation using RMT. Restricting our attention to a larger lattice, we fit the data of the axial correlation function with the predictions of quenched ChPT, obtaining a stable determination of the quenched pion decay constant, F. The scalar and pseudoscalar correlation functions are parameterised by a larger number of LEC, rendering the comparison with ChPT predictions much more difficult and hence we present only some estimates that are compared with other determinations in the literature. Finally, we present possible implementations of improved algorithms used in the ``inversion'''' of the overlap operator, whose aim is to reduce the computational cost of the simulations.

Submitted by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-04-06T18:57:20Z No. of bitstreams: 1 thesisVolpatto.pdf: 4316650 bytes, checksum: 70380eace3eba66de52728f9d1d7ff89 (MD5) / Approved for entry into archive by Maria Cristina (library@lncc.br) on 2017-04-06T18:57:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 thesisVolpatto.pdf: 4316650 bytes, checksum: 70380eace3eba66de52728f9d1d7ff89 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-06T18:57:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesisVolpatto.pdf: 4316650 bytes, checksum: 70380eace3eba66de52728f9d1d7ff89 (MD5) Previous issue date: 2016-06-14 / Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis / The present work aims at constructing a new sequential hydro-mechanical model of gas reservoirs. The new aspect of the proposed model lies on the derivation of new source terms in the subsystems of hydrodynamics and geomechanics. When compared with the fully-coupled formulation, where the two systems are solved simultaneously, the proposed formulation allows to explore the difference in the time-scales of the two phenomena. In addition the sequential formulation can be naturally extended to treat impermeable adjacent rocks and overcomes the problem of lack of stability in the impermeable regions of the geological formation. The formulation proposed based on the fixed stress split algorithm is unconditionally stable in the iterative procedure for coupling the two subsystems. This continuum problem is discretized by the Galerkin method coupled with fixed point algorithms to handle non-linearities present in the equation of state of the gas and in the coupling between the two subsystems. Numerical simulations are performed to illustrate the influence of geomechanical effects upon gas production. Comparisons between the well known one and two-way formulations are also presented. / O presente trabalho objetiva a construção de um novo modelo de acoplamento hidro-mecânico em reservatórios de gás. O aspecto inovador do modelo proposto reside na natureza sequencial do acoplamento, caracterizado pela decomposição do operador acoplado, levando ao surgimento de termos de fonte entre os subsistemas hidrodinâmica e geomecânico. Quando comparado com a formulação completamente acoplada, onde os dois sistemas são resolvidos simultaneamente, a formulação proposta permite a adoção de diferentes passos de tempo, extensão natural para descrever rochas adjacentes ao reservatório produtivo e não sofre de carência de estabilidade nas zonas impermeáveis da formação geológica. A formulação proposta, baseada no algoritmo “fixed stress split”, apresenta a propriedade de ser incondicionalmente estável no processo iterativo adotado na resolução dos dois subsistemas. A formulação sequencial é discretizada pelo método de Galerkin aliada com algoritmo de ponto fixo para tratar as não-linearidades presentes na equação de estado do gás e no acoplamento entre os dois subsistemas. Simulações numéricas são realizadas para ilustrar os efeitos geomecânicos sobre a produção de gás em reservatórios não convencionais de gás em folhelho. Comparações entre as formulações em uma-via e duas-vias, comumente discutidas em geomecânica de reservatórios, são apresentadas.

Die Dissertation behandelt methodische und algorithmische Aspekte der Spektralelementemethode zur räumlichen Diskretisierung partieller Differentialgleichungen. Die Weiterentwicklung einer symmetriebasierten Faktorisierung ermöglicht effiziente Operatoren für Tetraederelemente. Auf Grundlage einer umfassenden Leistungsanalyse werden Engpässe in der Implementierung der Operatoren identifiziert und durch algorithmische Modifikationen der Methode eliminiert.

Orientador: Paulo Augusto Valente Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T08:04:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Prado_MarciaLissandraMachado_D.pdf: 1397184 bytes, checksum: 5c23769b43bb76b58c39a5fb95adaaee (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Uma abordagem baseada em análise intervalar para o projeto de controladores por realimentação de estados robusta é proposta. Demonstra-se que quando especificações para alocação de pólos são representadas por conjuntos espectrais de polinômios intervalares, o problema do projeto por realimentação de estados robusta pode ser completamente formulado e resolvido no contexto de conceitos e métodos de análise intervalar. Representações poliédricas convexas de uma classe de controladores por realimentação de estados robusta satisfazendo a uma equação de Ackerman intervalar são derivadas. Um procedimento de projeto baseado em programação não-linear que objetiva a maximização da não-fragilidade do controlador robusto resultante é introduzido. Para sistemas multivariáveis é proposta uma abordagem por alocação de pólos utilizando a equação de Sylvester intervalar e técnicas de resolução baseadas em intervalos modais. Exemplos numéricos ilustram o projeto de controladores por realimentação de estados obtidos a partir da abordagem por análise intervalar proposta / Abstract: An interval analysis approach for the design of robust state feedback controllers is proposed. It is shown that when regional pole placement specifications are represented as spectral sets of interval polynomials, the robust state feedback design problem can be entirely formulated and solved in the context of the concepts and methods of interval analysis. Explicit convex polyhedral representations of a class of robust state feedback controllers satisfying an interval Ackerman¿s equation are derived. A design procedure based on nonlinear programming which aims at maximizing the non-fragility of the resulting robust controller is introduced. In the case multivariable systems is proposed an approach based on pole placement which employs an interval Sylvester equation and modal intervals techniques. Numerical examples illustrate the design of robust state feedback controllers through the interval analysis approaches proposed. / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

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Dans cette thèse, nous nous sommes penchés d’un point de vue à la foisthéorique et pratique sur la conception d’algorithmes et detechniques d’ordonnancement adaptées aux architectures complexes dessuperordinateurs modernes. Nous nous sommes en particulier intéressésà l’utilisation mémoire et la gestion des communications desalgorithmes pour le calcul haute performance (HPC). Nous avonsexploité l’hétérogénéité des superordinateurs modernes pour améliorerles performances du calcul matriciel. Nous avons étudié lapossibilité d’alterner intelligemment des étapes de factorisation LU(plus rapide) et des étapes de factorisation QR (plus stablenumériquement mais plus deux fois plus coûteuses) pour résoudre unsystème linéaire dense. Nous avons amélioré les performances desystèmes d’exécution dynamique à l’aide de pré-calculs statiquesprenants en compte l’ensemble du graphe de tâches de la factorisationCholesky ainsi que l’hétérogénéité de l’architecture. Nous noussommes intéressés à la complexité du problème d’ordonnancement degraphes de tâches utilisant de gros fichiers d’entrée et de sortiesur une architecture hétérogène avec deux types de ressources,utilisant chacune une mémoire spécifique. Nous avons conçu denombreuses heuristiques en temps polynomial pour la résolution deproblèmes généraux que l’on avait prouvés NP-complet aupréalable. Enfin, nous avons conçu des algorithmes optimaux pourordonnancer un graphe de différentiation automatique sur uneplateforme avec deux types de mémoire : une mémoire gratuite maislimitée et une mémoire coûteuse mais illimitée. / Throughout this thesis, we have designed memory-aware algorithms and scheduling techniques suitedfor modern memory architectures. We have shown special interest in improving the performance ofmatrix computations on multiple levels. At a high level, we have introduced new numerical algorithmsfor solving linear systems on large distributed platforms. Most of the time, these linear solvers rely onruntime systems to handle resources allocation and data management. We also focused on improving thedynamic schedulers embedded in these runtime systems by adding static information to their decisionprocess. We proposed new memory-aware dynamic heuristics to schedule workflows, that could beimplemented in such runtime systems.Altogether, we have dealt with multiple state-of-the-art factorization algorithms used to solve linearsystems, like the LU, QR and Cholesky factorizations. We targeted different platforms ranging frommulticore processors to distributed memory clusters, and worked with several reference runtime systemstailored for these architectures, such as P A RSEC and StarPU. On a theoretical side, we took specialcare of modelling convoluted hierarchical memory architectures. We have classified the problems thatare arising when dealing with these storage platforms. We have designed many efficient polynomial-timeheuristics on general problems that had been shown NP-complete beforehand.

Die Dissertation behandelt methodische und algorithmische Aspekte der Spektralelementemethode zur räumlichen Diskretisierung partieller Differentialgleichungen. Die Weiterentwicklung einer symmetriebasierten Faktorisierung ermöglicht effiziente Operatoren für Tetraederelemente. Auf Grundlage einer umfassenden Leistungsanalyse werden Engpässe in der Implementierung der Operatoren identifiziert und durch algorithmische Modifikationen der Methode eliminiert.

Le problème du « Shape From Shading » est aujourd'hui considéré comme un problème mal posé et difficile à résoudre. Afin de bien comprendre les difficultés de ce problème et d'apporter des solutions fiables et pertinentes, nous proposons une approche rigoureuse basée sur la notion de solution de viscosité.<br />Après avoir considéré et exploité au maximum les équations (aux dérivées partielles) obtenues à partir de la modélisation classique du problème du « Shape From Shading », nous proposons et étudions de nouvelles équations provenant de modélisations plus réalistes que celles qui avaient été traitées classiquement dans la littérature. Cette démarche nous permet alors de démontrer qu'avec de telles nouvelles modélisations, le problème du « Shape From Shading » est généralement un problème complètement bien posé. En d'autres termes, nous prouvons que la version classique du problème du « Shape from Shading » est devenu mal posée à cause d'une trop grande simplification de la modélisation.<br />Dans ce travail, nous proposons aussi une extension de la notion de solutions de viscosité singulières développée récemment par Camilli et Siconolfi. Cette extension nous permet de proposer une nouvelle caractérisation des solutions de viscosité discontinues. Ce nouveau cadre théorique nous permet aussi d'unifier les différents résultats théoriques proposés dans le domaine du « Shape From Shading ».